2016 Fiscal Year Annual Research Report
硬質脆性材料の低温変形能－微小体積変形試験から導き出す新規な材料物性
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15H02300
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
乾 晴行 京都大学, 工学研究科, 教授 (30213135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸田 恭輔 京都大学, 工学研究科, 准教授 (20354178)
岡本 範彦 京都大学, 工学研究科, 助教 (60505692)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 協調的原子集団励起 / プラストン / マイクロピラー / 試験片サイズ依存性 / 臨界体積 / 破壊靱性 / 核生成 / 収縮転位 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
SiCや遷移金属シリサイドなどがその代表例とする硬質材料は，非常に高い強度をもち，複合材料の強化相のみならず，それ自身も超高温材料として期待されている．これら硬質材料は，変形開始温度が1000℃近傍にも達する場合が多く，それ以下では変形能を全く示さないなど，実用上の問題はその脆さにある．しかし，最近の我々のマイクロピラー試験片を用いた研究から，硬質材料でバルクでは発現しない低温変形能が存在することを明らかにした．本研究では，SiCなどの構造用セラミックスやMoSi2やMo5SiB2などの遷移金属シリサイド単結晶を用いて，バルクでは破断が先行し発現しない新規な力学物性である「脆性硬質材料の低温変形能」のメカニズムを解明することを目指した．
Mo5SiB2は新規な超高温材料として期待されているMo基合金の強化相であるが，単結晶（正方晶）でも1400℃以下では全く塑性変形能を示さず，その活動すべり系や臨界分解せん断応力（CRSS）などは全く不明である．ミクロンオーダー（1~10μm）のマイクロピラー試験片では，広範囲の結晶方位範囲で 2~4 GPa程度の非常に高いCRSSを伴って室温でも変形が可能であり，(001)<100>すべり，{110}<110>すべり，{011}<111>すべりの活動が観察された．透過電子顕微鏡観察により，(001)面上の<100>転位および{110}面上の<110>転位が２本の部分転位に分解して運動すること，{011}面上の<111>転位は部分転位に分解することなく完全転位として運動することが明らかとなった．これらの結果は，第一原理計算による一般化積層欠陥エネルギーの計算結果と良い一致を示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
前年度までに基本項目を確立した「サブミクロンメーターサイズの試験片をバルク試験と同様の条件で変形できる実験手法」の高精度化を行い，実験可能な最小試験片サイズを実験試料に関わりなく，0.05μmまで向上させた．これには，試験片のFIB加工手法（試料両端の平行度の確保）の開発，試験片端面と圧縮治具（ダイヤモンド・フラットパンチ）の平行度の確保，位置決め手法の確立をすべて更新し，最適化した．硬質脆性材料の低温変形能は，非常に高い応力レベルで発現するもので，その定義から試験機にかかる荷重をできる限り小さくする必要があるためであり，SiCなどの硬質材料からMgのような軟質材料まで広範囲の実験試料に適用が可能である．またこれまで，低温変形能の発現をSiC，数種のMSi2系（MoSi2, CrSi2, VSi2, NbSi2, TaSi2, TiSi2）遷移金属シリサイドおよびM5Si3系（Mo5Si3, Cr5Si3, Nb5Si3）遷移金属シリサイドに加えて，鉄鋼材料における脆化相であるラーベス相，シグマ相の金属間化合物でも見出しており，当初の計画以上に研究が進展している．更に，バルクの高温変形で得られたCRSSの温度依存性の延長線上に低温変形能のCRSSがプロットできる場合，高温バルクと低温ピラーで同一の変形メカニズムが作動していることを透過電子顕微鏡法を駆使して解明できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況で記載したように，SiCをはじめとして多くの遷移金属シリサイドで低温変形能の発現を確認した．また，鉄鋼材料における脆化相であるラーベス相，シグマ相金属間化合物でもこれを見出しており，この現象の一般性を更に確認したい．しかし，すべての硬質脆性材料に必ず低温変形能を発現するわけでなく， B4C, Al2O3などのセラミックで低温変形能の発現はまったくなく脆性的に破断が生じる．試料サイズが小さくなるほどより大きな応力がかかり，転位の活性化応力に近づくが，破壊靱性が高くなければ，転位の活性化応力に到達する前に破断が生じるためと考えられる．このため破壊靱性の測定は重要であり，測定した破壊靱性値を用いて，低温変形能のメカニズムとともにその発現因子を理論的に解明すべく，前年度より微小体積で破壊靱性を測定するマイクロビーム法の開発をほぼ終了し，SiCや数種のMSi2系遷移金属シリサイドに適用を図っている．すべて当初計画よりも順調に進展しており，特筆すべき研究計画の変更や研究遂行上の問題点はない．
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| Remarks |
チェコ国科学アカデミー物理学研究所Vaclav Paidar博士と典型的な硬質脆性材料のひとつである遷移金属シリサイドの脆性挙動の本質に関して継続的に議論を行っている．ドイツ共和国ニュールンベルク大学のMathius Goken教授とも遷移金属シリサイドの微小試験片を用いた力学特性評価につき共同研究を行なうべく準備を進めている．
研究室HP http://imc.mtl.kyoto-u.ac.jp/
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Research Products
(37 results)
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[Journal Article] Size effect, critical resolved shear stress, stacking fault energy, and solid solution strengthening in the CrMnFeCoNi high-entropy alloy2016
Author(s)
Norihiko L. Okamoto, Shu Fujimoto, Yuki Kambara, Marino Kawamura, Zhenghao M. T. Chen, Hirotaka Matsunoshita, Katsushi Tanaka, Haruyuki Inui and Easo P. George
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 6
Pages: 35863
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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